Metalik hidrojen yüksek basınç altında kendini gösterdi


Artan basınç altında, halka biçimli elmas anvil hücresi üzerinde bastırılan hidrojenin rengi ve kızılötesi soğurma değeri değişti. Paul Loubeyre ve Florent Occelli (Fransız Atomik Enerji Komisyonu, CEA) Soleil sinkrotronunda çalışan Paul Dumas ile bir araya gelerek yüksek parlaklıklı kızılötesi spektroskopi çalışmaları yaptılar. Hidrojeni iki elmasın uçları arasında çok yüksek basınçlar altında sıkıştırdıkları zaman, kızılötesi ışığın soğurulmasında büyük bir değişim gördüler, çünkü malzeme bu ışığını tamamını soğurmuştu, bu da iletken bir metal olduğunu gösteriyordu.

Loubeyre, Chemistry World’e şöyle dedi: ”Bu basınç aralığında hidrojenin özelliklerinin ilk kez incelendiği bir çalışma oldu”. Bilim insanları örneğin iletkenliğini doğrudan ölçmediler, dolayısı ile tam olarak malzemenin metalik özelliğini ilan etmemiş oldular. Ancak Loubeyre’ye göre kızılötesi ışımanın tam olarak soğurulması metalik hidrojen için yeterli bir koşuldu.

Bilim insanları 1930’lardan beri metalik hidrojeni arıyordu, Loubeyre, “ilk kez katılara kuantum mekaniğin teorik olarak uygulanması sonucu ortaya çıktı” diyor. Bu da kısmen onun yüksek sıcaklık süper iletkeni olabileceği eklentisi sonucu bekleniyordu. Seksen yıl önce, tahminlere göre metalik hidrojen 25 GPa’nın üzerinde oluşmaya başlayabilirdi, ancak pratikte gerek duyulan basınçlar çok daha yüksek oldu. 2002 yılında, Loubeyre ve arkadaşları 320 Gpa’ya kadar olan basınçlarda hidrojeni görünür spektroskopi ile çalıştılar, buna göre metalik hidrojen 460 GPa’ya doğru görüntülenmeliydi.

ABD’deki araştırmacılar tartışmalı şartlar altında, 2017 yılında metalik hidrojeni izole ettiklerini ifade etmişti, ulaştıkları basıncın 495 GPa olduğnu iddia ediyorlardı. Aynı zamanda diğer gruplar da pek çok sebepten ötürü kuşkulu idiler, özellikle basınç değerinin mübalağa edilmesi söz konusu idi. Loubeyre şöyle diyor: “Standart elmas anvil hücresi ile 400 GPa’nın üstüne çıkamayacağınız konusunda bir fikir birliği var”. Ayrıca orijinal örnek o zamandan beri kayıp durumda.

Alman araştırmacılar da yakın zamanda hidrojenin yalıtkan özellikten yarı metalik kısmi iletken hale (350 GPa civarında) geçtiğini buldular2. Araştırma ekibinin özelleştirilmiş hücrelerinde 400 GPa’da iletkenlik göstermeye devam ediyordu, ancak tam metalik özellik göstermiyordu. İletkenlik ölçerken aynı zamanda, Loubeyre’nin ekibinin yaptığı gibi daha yüksek basınçlar altında spektroskopi uyguladılar. Ekip, Raman sinyalinin 480 GPa’da kaybolduğunu gördü, böylece metalik bir faza geçiş yapıldığı ortaya çıkıyordu.

Bir araya gelme

Geleneksel tasarımlardan daha yüksek basınçlar kullanıldığında elmas uçlar paramparça olmaktan ziyade deforme oluyor.

2018 yılında, CEA ekibi 600 GPa’ya kadar basınçları kabul edebilecek halka şekilli bir elmas anvil hücresi geliştirdi. Loubeyre, merkezde yuvalarla beraber halka tatlısı (doughnut) biçimli oyuğu olan elmas uçlar kullanıldığında uçların deforme olduğunu, ancak kırılmadığını açıklıyor. Uçlar arasında sıkıştırılan örneğin çapı yalnızca 5 µm olduğu için analiz edilmesi son derece zordu. Kızılötesi spektroskopisi için uygun bir sinyal-gürültü oranı elde etmek gerekliliği çok yüksek parlaklıklı kızılötesi ışık (Soleil’de var) kullanmayı gerektiriyordu.

Spektroskopi, araştırmacılara hidrojenin elektronik yapısını anlattığı için faydalı bir teknik. Katılarda, enerji seviyeleri değerlik bandında elektronlarla dolu olup iletkenlik bandında elektronlardan yoksun olan durumda bir bant boşluğu durumu söz konusu. Yalıtkan veya yarı-metalik katılarda bu boşluğa eşit enerjili ışık soğuruluyor. Metallerde ise bu boşluk tamamen kapanıyor. Sonuç olarak Loubeyre’nin ekibinden gelen yeni sonuçlarda olası metalik hidrojen örneği 425 GPa’da kendisine gelen bütün kızılötesi ışığı soğuruyor diyebiliriz. Benzer sebeplerden ötürü hidrojen 310 GPa’nın üstünde şeffaf görünümden siyah görünüme geçiyor.

Şikago’daki Illinois Üniversitesi’nde çalışan Russell Hemley çalışmayı “dikkatle yapılmış” olarak görüyor, ancak tedbirli olmayı tercih ediyor. Hemley, şöyle diyor: “Teorik tahminlerle uyum içinde olduğu görülen, yüksek basınçta ani bir geçiş gözlenmiş”. Ancak bunun kesin olarak beklenen geçiş olduğu konusunda yeterli kanıt olmadığı konusunda uyarıda bulunuyor. Hemley’e göre ayrıca burada ve diğer çalışmalarda, elmas uçlarının optik özelliklerinde basınçla oluşan değişimlerin olacağını öne sürüyor.

Daha olumlu düşünen Lilia Boeri (Sapienza Üniversitesi, Roma, İtalya), çalışmayı “önemli” ve “heyecan verici” buluyor. Boeri, CEA ekibinin 400 GPa’nın altındaki basınçlarda hidrojenin yapısını analiz eden çalışması ile iletkenliğin ölçüldüğü daha önceki çalışmalar arasındaki yakın değerleri memnuniyet verici gördüğünü iletiyor. Dolayısı ile metalik hidrojen üretimi konusundaki yorumun makul olduğunu düşünüyor. Boeri, en ileri teorik çalışmalar ile bu yeni yayın kabul edildikten sonra ayrı yapılan bant genişliği çalışmaları arasındaki yakın değerlere dikkati çekiyor.

Kaynak: Metallic hydrogen reveals itself under mounting pressure | Chemistry World


Kategoriler



+ Yorum bulunmuyor

Yorum ekle